JP2022131422A - Liquid discharge head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体吐出ヘッドに関する。 The present invention relates to liquid ejection heads.
液体を吐出して記録を行う記録装置には、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドが備えられている。接着剤により複数の基板を接合して液体吐出ヘッドを形成する場合、余剰な接着剤が接合面からはみ出すことで、歩留まり低下やデバイス特性の低下が生じるおそれがある。 2. Description of the Related Art A printing apparatus that performs printing by ejecting liquid is equipped with a liquid ejection head that ejects liquid from an ejection port. When a liquid ejection head is formed by bonding a plurality of substrates with an adhesive, excess adhesive protrudes from the bonding surface, which may result in a decrease in yield and deterioration in device characteristics.
そこで、特許文献1においては、接着剤を塗布する接合面に溝(凹部)を形成し、接合時に基板同士の押し付けで発生する余剰な接着剤を凹部で収容することができる方法を提示している。余剰な接着剤を凹部で収容することで、接着剤が接合面からはみ出すことを抑制することができる。
Therefore, in
しかしながら、特許文献1においては、凹部で収容しきれずに接合面から接着剤がはみ出てしまった場合には、凹部は接合面にしか形成されていないため、その後の接着剤の流動を抑制することができない。そのため、例えば圧力発生素子等の構造物にはみ出た接着剤が付着し、記録品位に影響が生じる恐れがあった。
However, in
本発明は、上記課題を鑑み、接合面からはみ出た接触材の流動を抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a liquid ejection head capable of suppressing the flow of a contact material protruding from a joint surface.
上記課題を解決するために本発明は、構造物を備える第1の基板と、接着剤を介して前記第1の基板と接合している第2の基板と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記第1の基板には、前記接着剤を介して第2の基板と接合している接合面と、該第2の基板とは接合していない非接合面と、が形成されており、前記非接合面の領域のうち、前記接合面の前記構造物側の端部である接合端部と該構造物との間の領域には、凹部が形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a liquid ejection head having a first substrate having a structure and a second substrate bonded to the first substrate via an adhesive, The first substrate is formed with a bonding surface that is bonded to the second substrate via the adhesive and a non-bonding surface that is not bonded to the second substrate. A concave portion is formed in a region of the joint surface between the joint end portion, which is the end portion of the joint surface on the side of the structure, and the structure.
本発明によれば、接合面からはみ出た接触材の流動を抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a liquid ejection head capable of suppressing the flow of the contact material protruding from the joint surface.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本願において、構造物とは、後述する圧力発生素子21(図1)、吐出口31(図1)および連通口5(図7)のことをいう。また、本願において、前述の構造物が形成されている基板を第1の基板と称し、第1の基板と接着剤により接合している基板を第2の基板と称す。即ち、詳しくは後述する圧力発生基板2が第1の基板とみなされ、流路基板1が第2の基板とみなされる場合がある一方、吐出口基板3が第1の基板とみなされ、圧力発生基板2が第2の基板とみなされる場合もある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the present application, the structures refer to pressure generating elements 21 (FIG. 1), discharge ports 31 (FIG. 1), and communication ports 5 (FIG. 7), which will be described later. Further, in the present application, the substrate on which the above structure is formed is referred to as a first substrate, and the substrate bonded to the first substrate with an adhesive is referred to as a second substrate. That is, the
(第1の実施形態)
(液体吐出ヘッド)
図1(a)は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド4の概要斜視図である。図1(b)は、図1(a)に示すA-A´断面における断面図である。図1に示すように、液体吐出ヘッド4は、主に、流路基板1、圧力発生基板2、吐出口基板3から構成されており、各基板はそれぞれ接着剤40(図2)で接合される。
(First embodiment)
(liquid ejection head)
FIG. 1A is a schematic perspective view of the
流路基板1は、シリコンやセラミック、樹脂などの基板等で形成されている。流路基板1には、ドライエッチングやウェットエッチング、物理加工などにより形成された貫通孔が形成されており、この貫通孔が液体を圧力発生素子上に供給するための供給流路11となる。さらに、流路基板1には、吐出口31から液体を吐出するための圧力を発生する圧力発生素子21が備えられる空間(圧力発生室12)が形成されている。圧力発生素子21がピエゾ素子である場合には、この空間によりピエゾ素子の変位が可能となり、ピエゾ素子の変位による圧力で液体が吐出口31から吐出される。
The
圧力発生基板2は、シリコンやセラミック、樹脂などの基板等で形成されている。圧力発生基板2には、圧力発生素子21や、圧力発生素子21と接続する電極、選択的に特定の電極に給電するための回路(不図示)等が形成されている。圧力発生素子21は、圧電性を付与したジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などの多結晶セラミックや、無機薄膜による抵抗発熱体などが用いられる。また流路基板1の供給流路11と連通し、圧力発生素子21と隣接する液室22が形成される。
The
吐出口基板3は、シリコンやセラミック、樹脂などの基板等で形成されている。また、吐出口基板3には、液体を吐出する吐出口31が形成されている。吐出口31は液室22と連通しており、圧力発生素子21により発生した圧力が液室22に伝わり、吐出口31から液体が吐出される。
The
基板どうしを接合する接着剤には、エポキシ樹脂や有機シリコン系材料、金属ペースト等が単独もしくは混合して用いられ、接着強度や接液耐久性などを考慮して材料選択される。これらの接着剤を、基板の接合面に塗布し、熱やプレス等のエネルギーを加えることにより化学的もしくは物理的に基板同士を接合する。 Epoxy resins, organic silicon materials, metal pastes, and the like are used singly or in combination as adhesives for bonding substrates, and materials are selected in consideration of adhesive strength, liquid contact durability, and the like. These adhesives are applied to the joint surfaces of the substrates, and the substrates are chemically or physically joined together by applying energy such as heat or press.
複数の基板を接合して液体吐出ヘッドを作成する際、各基板の接合順番や接着剤を塗布する面は自由であり、3つの基板の積層関係が適切であればよい。即ち、圧力発生基板2は流路基板1と吐出口基板3に挟まれた形で接合される。
When a plurality of substrates are bonded to form a liquid ejection head, the order of bonding the substrates and the surfaces to which the adhesive is applied are arbitrary, and the lamination relationship of the three substrates may be appropriate. In other words, the
(基板の接合)
各基板を接合する工程について、図2および図3を参照しながら説明する。図2(a)は、流路基板1の圧力発生基板2側の面に接着剤を塗布した状態の概略図である。図2(b)は、図2(a)に示す状態から流路基板1と圧力発生基板2とを接合した際の概略図である。図2(c)は、図2(b)に示す領域Bにおける拡大図である。図3(a)は、流路基板1と圧力発生基板2とが接合された状態で、圧力発生基板2の吐出口基板3側の面に接着剤を塗布した状態の概略図である。図3(b)は、図3(a)に示す状態から吐出口基板3を圧力発生基板2に接合した際の概略図である。図3(c)は、図3(b)に示す領域Cにおける拡大図である。
(bonding of substrates)
The process of bonding each substrate will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. FIG. 2(a) is a schematic diagram showing a state in which an adhesive is applied to the surface of the
図2(a)に示すように、流路基板1の圧力発生基板2側の面であって圧力発生基板2と接合する面(接合面)24に接着剤40を塗布する。また、圧力発生基板2には、流路基板1とは接合しない面である非接合面29に予め凹部23を形成しておく。次に、流路基板1と圧力発生基板2とを加熱プレスして接合する(図2(b))。接合後の基板界面、すなわち接合面24の接着剤厚みは、接合条件にもよるが典型的には数μm以下であり、余分な接着剤41は接合面24が終端した接合端部25からはみ出し、圧力発生基板上に濡れ拡がる。ここで、接合端部25とは、接合面24の端部のうち構造物側の端部のことである。接合端部25の先の圧力発生基板上には圧力発生素子21(構造物とも称する)が存在する。そして、接合端部25と圧力発生素子21との間の圧力発生基板2上には凹部23が形成されている。この凹部23の接合端部側の際26では接着剤の表面張力が働き、はみ出した余分な接着剤41をその先に移動させないための作用が働く。これにより余分な接着剤41が圧力発生素子21に接触することを抑制することができる。その結果、接合端部25からはみ出た接着剤が圧力発生素子21に付着することによる記録品位への影響を抑制することができる。なお、図2においては、圧力発生基板2が第1の基板に相当し、流路基板1が第2の基板に相当している。
As shown in FIG. 2A, an adhesive 40 is applied to a surface (bonding surface) 24 of the
次に、図3(a)に示すように、予め凹部23を接合した吐出口基板3を準備する。圧力発生基板2の吐出口基板3側の面に接着剤40を塗布する。この際、吐出口基板3には、吐出口31の横に凹部23を予め形成しておく。その後、吐出口基板3を接合して液体吐出ヘッド4を形成する。図2と同様に、余分な接着剤41が接合端部25からはみ出し、吐出口基板上に濡れ拡がると、接着剤41が吐出口31(構造物とも称する)に付着する可能性がある。そこで、上述したように、吐出口基板3に凹部23を形成することで、凹部23の段差部で接着剤の表面張力が働き、はみ出した接着剤がその先に流動することを抑制することができる。これにより余分な接着剤41による吐出口31の閉塞を防ぐことが可能となるため、記録品位への影響を抑制することができる。その他、吐出口近傍へのはみ出しの移動を制限する効果として、吐出口31近傍の液室の体積変化が抑えられ、吐出量特性への影響を少なくする効果もある。なお、図3においては、吐出口基板3が第1の基板に相当し、圧力発生基板2が第2の基板に相当している。
Next, as shown in FIG. 3(a), the
また、はみ出た接着剤が凹部の段差部を超えたとして、その接着剤は凹部内に収容されることになる。これにより、接着剤が構造物に付着することを抑制することができる効果も得られる。 In addition, if the protruding adhesive exceeds the stepped portion of the recess, the adhesive is accommodated in the recess. This also has the effect of suppressing adhesion of the adhesive to the structure.
(第2の実施形態)
第2の実施形態について、図4を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、接着剤の流動を抑制するための凹部の形状に特徴がある。なお、圧力発生基板2に形成した凹部23を用いて以下説明を行うが、吐出口基板3に形成する凹部についても同様に適用することができる。図4(a)は、本実施形態における流路基板1と圧力発生基板2とを示す概略図である。図4(b)は、図4(a)に示す領域Dにおける拡大図である。以下の説明において、凹部23の形成角度θとは、凹部23の側壁6と基板の主面7とのなす角のことであり、即ち、図4(b)に示す角度θのことである。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the same code|symbol is attached|subjected about the same location as 1st Embodiment, and description is abbreviate|omitted. This embodiment is characterized by the shape of the recess for suppressing the flow of the adhesive. Although the following description will be made using the
図4(b)に示すように、凹部23の形成角度θを90度未満とするのが良い。接着剤のはみ出しが多い場合は凹部23の際26に表面張力による接着剤のせり出しが起こり、これが凹部23の内壁に接触すると堰き止め効果が崩れて凹部23の内部に接着剤が流れ込んでしまう。凹部23の形成角度θが小さいほどせり出しと内壁の接触が起こりにくくなり、堰き止め効果も維持しやすい。なお、より好ましくは、凹部23の形成角度θを70度以下とすることが好ましくは、さらには、50度以下にすることがより好ましい。しかしながら、凹部23の形成角度θが小さすぎると凹部の形成が複雑になることから、凹部23の形成角度θは、30度以上であることが好ましい。
As shown in FIG. 4(b), it is preferable that the formation angle θ of the
(第3の実施形態)
第3の実施形態について、図5、図6および図7を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、凹部23を形成する位置や凹部23の寸法に特徴がある。図5(a)は、本実施形態における流路基板1と圧力発生基板2とを示す概略図である。図5(b)は、図5(a)に示す領域Eにおける拡大図である。
(Third Embodiment)
A third embodiment will be described with reference to FIGS. 5, 6 and 7. FIG. In addition, the same code|symbol is attached|subjected about the same location as 1st Embodiment, and description is abbreviate|omitted. This embodiment is characterized by the position where the
凹部23は、なるべく圧力発生素子21から離れた位置に形成するのが好ましい。圧力発生素子21がPZT(ピエゾ素子)である場合、溝を掘り込んだ凹部23にはPZTによる振動の応力が加わりやすくなるため共振周波数が変化するなど、凹部23がPZTに近いほど振動状態が影響を受けやすくなる可能性があるためである。図5に示すように、なるべく影響がない範囲、例えば、凹部23を、接合端部25と圧力発生素子21の接合端部25側の端部33との中間位置27よりも接合端部25側に収まるように配置することで影響を小さくすることができる。さらに、より好ましくは、接合端部25と圧力発生素子21の端部33との間の領域を3等分した場合に、該3等分した領域のうち、接合端部25に最も近い領域内に凹部23を形成することが好ましい。
It is preferable to form the
同様な理由から、凹部23の幅28は,接合端部25と圧力発生素子21の距離の半分以下の幅30以下にとどめ、デバイス特性への影響を小さくするのが好ましい。凹部23の幅28を小さくすることで、凹部23周辺の強度の低下を最小限に抑えることができる。なお、凹部23の幅28とは、凹部23の長辺と短辺のうち、短辺の長さのことをいう(図8参照)。
For the same reason, it is preferable that the
図6(a)に、吐出口基板3に形成した凹部23の一例を示す。図6(b)に、図6(a)に示す領域Fの拡大図を示す。凹部23の深さは、接着剤の表面張力による盛り上がりが崩れて凹部内部への接着剤の濡れ広がりが発生した場合を考慮するとなるべく深いほど良い。一方、凹部周辺の機械強度や前述のデバイス特性への影響を考えた場合は浅いほど良い。これらを考慮して、凹部を形成する基板の厚み35に対して、凹部23の深さ(接合面24からの深さ)36は、0.01倍以上、0.80倍以下とするのが好ましい。さらには、凹部23の深さ36は、0.01倍以上、0.50倍以下であることが、凹部周辺の機械強度等の観点からより好ましい。
FIG. 6A shows an example of the
図7(a)に、供給流路11と接合面24の間に凹部23を形成した例を示す。図7(b)に、図7(a)に示す領域Gの拡大図を示す。図7に示すように、供給流路11と液室22とが供給流路11の流路径よりも小さい径を有する連通口5(構造物とも称する)により連通する場合には、余分な接着剤41が少量であっても連通口5の一部を塞ぐと、液体の流抵抗が大きくなり、好ましくない。そこで、本実施形態においては、図7に示すように、接合端部25と連通口5との間に凹部23を形成している。このような凹部23を形成することで、余分な接着剤41が連通口5を塞いでしまうことを抑制することができる。
FIG. 7A shows an example in which a
(第4の実施形態)
第4の実施形態について、図8を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、凹部23を形成する領域に特徴がある。図8(a)は、流路基板1および圧力発生基板2を接合した状態のものを圧力発生基板側から見たときの平面図である。図8(b)~(d)は、図8(a)に示す領域Hにおける拡大図である。なお、一例として、図8においては圧力発生素子21と接合端部25との間に凹部23が形成されている形態を図示しているが、本実施形態はこれに限られない。即ち、図3(c)に示したように、吐出口31と接合端部25との間に凹部23を形成する場合においても同様である。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment will be described with reference to FIG. In addition, the same code|symbol is attached|subjected about the same location as 1st Embodiment, and description is abbreviate|omitted. This embodiment is characterized by the region where the
図8(b)~(d)に示すように、凹部23の平面配置は、接合端部25と圧力発生素子21との間の領域であればどのように配置しても良い。したがって、図8(b)に示すように、圧力発生素子21の周囲を囲うように連続的に凹部23を形成してもよく、或いは、図8(c)に示すように、断続的に形成してもよい。または、図8(d)に示すように、複数の凹部23が圧力発生素子21の周囲を取り囲むように形成されていてもよい。
As shown in FIGS. 8(b) to 8(d), the
液体吐出ヘッド4を、流路基板1、圧力発生基板2、吐出口基板3を接合して作製した。流路基板1は、厚さ500μmのシリコン基板に100μm×100μmの開口サイズの供給流路11、および150μm×2000μmのサイズで深さ100μmの圧力発生室12を備える。圧力発生基板2には、シリコン基板上にチタン酸ジルコン酸鉛によるPZT素子を100μm×1900μmのサイズで電極および駆動回路とともに形成した。また、圧力発生基板2には、液室22を150μm×2500μmのサイズ、100μmの深さで形成し、PZT素子の周囲を囲うように幅10μmの凹部を形成した。吐出口基板3には、厚み10μmのシリコンに、直径20μmの吐出口31を形成した。これら3つの基板を、ケイ素を含むベンゾシクロブテン樹脂を主成分とする熱硬化型の接着剤で接合した。液体吐出ヘッドの吐出口31を観察したところ、余分な接着剤のはみ出しによる閉塞は確認されなかった。
A
比較として、圧力発生基板2および吐出口基板3に凹部23を形成せず、その他の構造は同じ寸法で作製した液体吐出ヘッドを作製したところ、接着剤のはみ出しによる吐出口31の閉塞が0.5%の割合で発生していた。
For comparison, when a liquid ejection head was manufactured in which the
2,3 第1の基板
2,3 第2の基板
4 液体吐出ヘッド
23 凹部
24 接合面
29 非接合面
25 接合端部
40 接着剤
2, 3
Claims (16)
接着剤を介して前記第1の基板と接合している第2の基板と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記第1の基板には、前記接着剤を介して第2の基板と接合している接合面と、該第2の基板とは接合していない非接合面と、が形成されており、
前記非接合面の領域のうち、前記接合面の前記構造物側の端部である接合端部と該構造物との間の領域には、凹部が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 a first substrate comprising a structure;
a second substrate bonded to the first substrate via an adhesive;
In a liquid ejection head having
The first substrate is formed with a bonding surface that is bonded to the second substrate via the adhesive and a non-bonding surface that is not bonded to the second substrate,
The liquid ejecting method according to claim 1, wherein a concave portion is formed in a region of the non-bonding surface between the structure and a bonding end, which is an end of the bonding surface on the side of the structure. head.
前記第1の基板は、前記圧力発生基板であり、
前記第2の基板は、前記流路基板であり、
前記構造物は、前記圧力発生素子である請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 The liquid ejection head includes an ejection port substrate having ejection ports for ejecting liquid, a pressure generation substrate having pressure generation elements for generating pressure for ejecting the liquid from the ejection ports, and liquid on the pressure generation elements. and a channel substrate comprising a channel for supplying
The first substrate is the pressure generating substrate,
The second substrate is the channel substrate,
2. A liquid ejection head according to claim 1, wherein said structure is said pressure generating element.
前記第1の基板は、前記吐出口基板であり、
前記第2の基板は、前記圧力発生基板であり、
前記構造物は、前記吐出口である請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 The liquid ejection head includes an ejection port substrate having ejection ports for ejecting liquid, a pressure generation substrate having pressure generation elements for generating pressure for ejecting the liquid from the ejection ports, and liquid on the pressure generation elements. and a channel substrate comprising a channel for supplying
the first substrate is the ejection port substrate;
The second substrate is the pressure generating substrate,
2. A liquid ejection head according to claim 1, wherein said structure is said ejection port.
前記圧力発生基板には、前記流路の流路径よりも小さい径を有する連通口が形成されており、
前記流路基板の前記流路は、前記圧力発生基板の前記連通口と接続されており、
前記第1の基板は、前記圧力発生基板であり、
前記第2の基板は、前記流路基板であり、
前記構造物は、前記連通口である請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 The liquid ejection head includes an ejection port substrate having ejection ports for ejecting liquid, a pressure generation substrate having pressure generation elements for generating pressure for ejecting the liquid from the ejection ports, and liquid on the pressure generation elements. and a channel substrate comprising a channel for supplying
The pressure generating substrate is formed with a communication port having a diameter smaller than the flow path diameter of the flow path,
the channel of the channel substrate is connected to the communication port of the pressure generating substrate,
The first substrate is the pressure generating substrate,
The second substrate is the channel substrate,
2. The liquid ejection head according to claim 1, wherein the structure is the communication port.
16. The structure according to any one of claims 1 to 15, wherein a plurality of said recesses are formed surrounding said structures when viewed from plan views of said first substrate and said second substrate. liquid ejection head.
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